[发明专利]基于双频共焦超声分时激励的超声力学毁损和热凝固装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及超声物理和超声仪器及其应用，具体涉及一种基于双频共焦超声分时激励的高效超声力学毁损和热凝固装置及方法。

背景技术

高强度聚焦超声(high intensity focused ultrasound HIFU)作为一种无创超声治疗技术，主要利用超声波良好的组织穿透性、方向性，在机体组织内汇聚形成高强度声场，通过超声波的瞬态高温效应、空化效应和机械效应等破坏焦域处靶组织，而对声路径上的组织以及周围的组织则无损伤，从而可达到无创治疗或外科切除病灶的目的。根据其作用机制，HIFU对于靶组织的损伤方式主要分为两种：基于热效应的超声热消融(即物理形态的凝固)和基于空化效应的超声力学毁损。超声热消融(也称为热凝固)指的是当超声作用在生物组织上时，焦域内生物组织对超声波能量的直接吸收可使其温度在数秒内迅速上升到65℃以上，使靶区的病变组织发生不可逆转的蛋白变性、细胞裂解死亡，形成消融性坏死灶，从而达到消融病变组织的目的。而超声力学毁损主要是将高声功率、低占空的脉冲式高强度聚焦超声作用在病变组织，利用超声空化效应直接将靶区组织细胞撕裂成碎片状，最后被机体逐渐吸收从而达到力学毁损病变组织的目的。到目前为止，HIFU因其无创性等优点在肿瘤治疗中已经得到临床的认可，国际上已有数个临床中心将HIFU用于子宫、肝脏、肾脏、前列腺、乳腺、胰腺等器官和软组织实体瘤的治疗。尤其是在我国，经HIFU治疗的患者已经超过3000人，临床结果表明HIFU是一种安全、有效、无创性实体瘤治疗方法。但HIFU仍然存在一定的局限性，主要的一点是单次HIFU辐照产生的热消融或者力学毁损灶体积小，对于体积较大的肿瘤进行消融或者毁损所需治疗时间长，一般较大的都需要几个小时，患者难以在如此长时间的治疗时间内保持不动，从而增加较大风险及并发症的发生率。

针对以上不足，最常用的方法是提高HIFU的能量，虽然该方法可以扩大消融(或毁损)灶的体积，并缩短治疗时间，但同时提高HIFU传播路径上的声能量，会对声传播路径上的组织造成额外伤害，尤其对焦域周围的组织，因此该方法存在缺陷。

发明内容

为了提高超声对粘弹性介质造成的局域性力学毁损及热凝固的效率，本发明提供了一种基于双频共焦超声分时激励的超声力学毁损和热凝固装置及方法。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种基于双频共焦超声分时激励的超声力学毁损和热凝固装置，该装置包括超声发射系统、同步信号控制系统以及反应容器，同步信号控制系统与超声发射系统相连，超声发射系统至少产生高、低两种不同频率的超声波，且所述两种不同频率的超声波聚焦于所述反应容器内同一点。

所述超声发射系统包括双频超声换能器，双频超声换能器由两个具有不同频率的单阵元聚焦超声换能器构成。

所述装置还包括与同步信号控制系统相连的空化检测系统以及用于提供聚焦区域的B超监控图像的监控系统。

所述空化检测系统包括与同步信号控制系统相连的数字采集装置以及与数字采集装置相连的声-电信号转换装置，声-电信号转换装置包括超声换能器或水听器等。

低频率超声波的频率f₁为20KHz≤f₁≤1MHz，高频率超声波的频率f₂为1MHz<f₂≤5MHz。

一种基于双频共焦超声分时激励的超声力学毁损和热凝固方法，包括以下步骤：通过控制高、低频超声波发射的先后顺序，利用高频超声波所具有的更好的热效应和低频超声波所具有的更好的力学效应，实现对粘弹性介质的力学毁损和热凝固。

所述方法具体包括以下步骤：

首先发射高频超声波辐照粘弹性介质，粘弹性介质的局部区域内嵌有相变微纳米液滴，高频超声波的焦点作用在所述局部区域，使相变微纳米液滴发生相变并产生相变微泡，然后，以相变微泡作为空化核，利用共焦低频超声波辐照对所述局部区域进行力学毁损；

或者，首先发射低频超声波辐照粘弹性介质，低频超声波的焦点作用在所述粘弹性介质上，使粘弹性介质局部发生空化并产生空化气泡，然后，以空化气泡为空化核，利用共焦高频超声波辐照对粘弹性介质的空化区域进行热凝固。

或者，首先发射高频超声波辐照粘弹性介质，高频超声波的焦点作用在所述粘弹性介质上，使粘弹性介质局部凝固，然后发射共焦低频超声波辐照粘弹性介质，对粘弹性介质的凝固区域进行力学毁损。

所述粘弹性介质为组织仿体或离体动物组织。